蝶翅輻射降溫特性及寬帶反射光學機理探索研究
發(fā)布時間：2020-06-24 11:25
【摘要】：近年來生物結(jié)構(gòu)色在材料學、生物學、物理學等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,相對彩色結(jié)構(gòu)色而言關(guān)于寬帶反射產(chǎn)生的白色結(jié)構(gòu)色的研究與報道較少。而研究自然界生物微觀結(jié)構(gòu)寬帶反射產(chǎn)生白色的機理,可為人工仿生制備熱調(diào)節(jié)、光調(diào)節(jié)功能材料提供啟迪,在精密光學儀器、降溫涂層等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文聚焦自然界中白色蝴蝶,研究其鱗片微觀結(jié)構(gòu)與光學反射光譜的關(guān)系,選出具有顯著寬帶反射特性的蝴蝶,探究其熱調(diào)控效應(yīng),為高效控溫材料的研究提供重要啟迪,并建立其蝶翅鱗片微觀結(jié)構(gòu)3D模型通過FDTD有限元軟件分析其寬帶反射產(chǎn)生白色機制。本文的具體研究結(jié)果如下:一.選取8種不同品種的白色蝴蝶鱗片進行了可見光波段的光譜及形貌表征的對比分析,得到了寬帶反射效果最顯著的蝴蝶為尖翅銀灰蝶,并進一步對尖翅銀灰蝶進行了中紅外光譜測試及降溫特性測試,結(jié)果表明:其對中紅外光有降低反射的作用,符合選擇性輻射器的特征;并且覆蓋白色鱗片比無白色鱗片的尖翅銀灰蝶蝶翅表面的最高溫降低了約5℃。二.通過光學顯微鏡觀察到尖翅銀灰蝶單個鱗片滴加溴仿前后顏色發(fā)生變化,從鮮明的彩色條紋轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色,且多層鱗片疊加后,鱗片上的彩色條紋逐漸變淡轉(zhuǎn)為白色且亮度逐漸提高,表明尖翅銀灰蝶白色結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的原理是顏色混合,并通過FDTD模擬得到驗證。進一步通過FDTD模擬分析蝶翅微觀結(jié)構(gòu)各個組成部分對寬帶反射的影響,將鱗片的寬帶反射結(jié)構(gòu)簡化為由上層圓弧形且厚度變化的層、中間厚度變化的空氣層和平板底層三層材料組成的結(jié)構(gòu),提出了更易于制備的3D模型。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;O435.1
【圖文】：
所以只能依靠最基本的反射、衍射、干涉等現(xiàn)象產(chǎn)生特定的顏色，此求生物還需將自身的厚度和重量控制在一定范圍內(nèi)。因此生物進化產(chǎn)往往是高效利用材料的精細復(fù)雜體系。構(gòu)色的產(chǎn)生機制主要是光學相干和非相干效應(yīng)等基本光學現(xiàn)象[7]。材料期性或有序排布將使特定波長的反射光產(chǎn)生光學相干效應(yīng)進而使材料結(jié)構(gòu)色。相對光學相干產(chǎn)生的彩色結(jié)構(gòu)色而言光學相干或非相干效應(yīng)構(gòu)色在自然界中相對少見，因為其需要材料的微觀結(jié)構(gòu)能夠?qū)梢姽饧磳Ω鱾�波長的可見光產(chǎn)生同樣或近似強度的散射。本文從布拉格反射結(jié)構(gòu)的多重散射和顏色混合效應(yīng)來闡述自然界中寬帶反射產(chǎn)生白色的海洋動物、植物、甲蟲、蝴蝶等生物的寬帶反射產(chǎn)生機理，并對一些復(fù)其他光學特性進行了分析，各生物光學機理歸納如表 1-1 所示，最后能材料在工程技術(shù)中的應(yīng)用進行了展望。研究自然界寬帶反射光學機理仿生制備光調(diào)節(jié)功能材料提供啟迪，在精密光學儀器、顯示屏幕、發(fā)光層等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
上海交通大學碩士學位論文4圖1-2 (a)薄膜干涉示意圖[8](b)多層干涉示意圖[8](c)三種魚類常見的寬帶反射：多層堆疊、啁啾、混沌模型[9]Fig.1-2 (a) Schematic diagram of thin-film interference[8](b) Schematic illustration of multilayerinterference[8](c) Three existing radial variation models for broadband reflectance by silvery fish: themulti-stack, chirped and chaotic models[9]1.2.1.2 海洋動物的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)海洋中視野和陸地上相比更加開闊，魚類和頭足類動物（魷魚、章魚、墨魚等）等生活在海洋生物為了躲避天敵都進化出了保護色，如，大部分的魚下腹部都是白色。此外，魚類的結(jié)構(gòu)色還可用于信息交流等生物用途[12]。除最基本的布拉格反射器外，近年來在魚類中發(fā)現(xiàn)許多更復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。Bell 等人[13]研究魷魚(Sepioloidealineolata)發(fā)現(xiàn)其色素細胞組成了一個完整的光學體系，如圖 1-3(a)所示，這種光學體系比較接近混沌模型的多層結(jié)構(gòu)僅在片層排布的方向上有所不同，可以有效消除鏡面效應(yīng)
本文編號：2727802
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;O435.1
【圖文】：
所以只能依靠最基本的反射、衍射、干涉等現(xiàn)象產(chǎn)生特定的顏色，此求生物還需將自身的厚度和重量控制在一定范圍內(nèi)。因此生物進化產(chǎn)往往是高效利用材料的精細復(fù)雜體系。構(gòu)色的產(chǎn)生機制主要是光學相干和非相干效應(yīng)等基本光學現(xiàn)象[7]。材料期性或有序排布將使特定波長的反射光產(chǎn)生光學相干效應(yīng)進而使材料結(jié)構(gòu)色。相對光學相干產(chǎn)生的彩色結(jié)構(gòu)色而言光學相干或非相干效應(yīng)構(gòu)色在自然界中相對少見，因為其需要材料的微觀結(jié)構(gòu)能夠?qū)梢姽饧磳Ω鱾�波長的可見光產(chǎn)生同樣或近似強度的散射。本文從布拉格反射結(jié)構(gòu)的多重散射和顏色混合效應(yīng)來闡述自然界中寬帶反射產(chǎn)生白色的海洋動物、植物、甲蟲、蝴蝶等生物的寬帶反射產(chǎn)生機理，并對一些復(fù)其他光學特性進行了分析，各生物光學機理歸納如表 1-1 所示，最后能材料在工程技術(shù)中的應(yīng)用進行了展望。研究自然界寬帶反射光學機理仿生制備光調(diào)節(jié)功能材料提供啟迪，在精密光學儀器、顯示屏幕、發(fā)光層等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
上海交通大學碩士學位論文4圖1-2 (a)薄膜干涉示意圖[8](b)多層干涉示意圖[8](c)三種魚類常見的寬帶反射：多層堆疊、啁啾、混沌模型[9]Fig.1-2 (a) Schematic diagram of thin-film interference[8](b) Schematic illustration of multilayerinterference[8](c) Three existing radial variation models for broadband reflectance by silvery fish: themulti-stack, chirped and chaotic models[9]1.2.1.2 海洋動物的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)海洋中視野和陸地上相比更加開闊，魚類和頭足類動物（魷魚、章魚、墨魚等）等生活在海洋生物為了躲避天敵都進化出了保護色，如，大部分的魚下腹部都是白色。此外，魚類的結(jié)構(gòu)色還可用于信息交流等生物用途[12]。除最基本的布拉格反射器外，近年來在魚類中發(fā)現(xiàn)許多更復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。Bell 等人[13]研究魷魚(Sepioloidealineolata)發(fā)現(xiàn)其色素細胞組成了一個完整的光學體系，如圖 1-3(a)所示，這種光學體系比較接近混沌模型的多層結(jié)構(gòu)僅在片層排布的方向上有所不同，可以有效消除鏡面效應(yīng)
【相似文獻】
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1 王丹彤;蝶翅輻射降溫特性及寬帶反射光學機理探索研究[D];上海交通大學;2018年
本文編號：2727802
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